KR20090025399A - An annular nuclear fuel rod comprising annular-structure fuel pellets with axial incisions - Google Patents

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Abstract

An annular nuclear fuel rod comprising annular-structure fuel pellets with axial incisions is provided to prevent the excessive creep strain of the inner sheath pipe. The annular nuclear fuel(100) is comprised of external coating pipe, the inner sheath pipe, the opened cyclic structure sintered body(120), and the rod edge stopper(160). The external coating pipe is made of metal and contacts with the cooling water flowing along the outer side of the nuclear fuel rod. The inner coating pipe is arranged in the external coating pipe and coaxial. The cyclic structure sintered body has the predetermined height in order to be loaded in the space between the inner sheath pipe and the external coating pipe.

Description

열린 환형구조 소결체를 포함하는 환형 핵연료봉{An annular nuclear fuel rod comprising annular-structure fuel pellets with axial incisions}An annular nuclear fuel rod comprising annular-structure fuel pellets with axial incisions

본 발명은 원자로에서 사용되는 핵연료봉에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핵분열에 의해서 열을 생산하고 생산된 열을 상기 핵연료봉 주위로 흐르는 냉각수에 효율적으로 전달하는 기능을 갖는 핵연료봉의 개선된 구조에 관한 것이다. 통상 상기 핵연료봉은 핵분열성 물질을 함유한 소결체와 이를 둘러싸고 있는 피복관으로 구성된다.The present invention relates to a nuclear fuel rod for use in a nuclear reactor, and more particularly, to an improved structure of a nuclear fuel rod having a function of producing heat by nuclear fission and efficiently transferring the generated heat to cooling water flowing around the nuclear fuel rod. will be. Usually, the nuclear fuel rod is composed of a sintered body containing fissile material and a cladding tube surrounding the fissile material.

현재 발전용 경수로에는 원통형상의 핵연료봉이 사용되고 있으며, 상기 원통형상의 핵연료봉이 갖는 기술적 특징은 아래와 같다.Currently, a cylindrical nuclear fuel rod is used in a power plant for power generation, and technical features of the cylindrical nuclear fuel rod are as follows.

도 1a는 원통형상의 핵연료봉의 단면도이고, 도 1b는 원통형상의 핵연료봉에 사용되는 원통형 소결체(2)의 사시도를 나타낸다.1A is a cross-sectional view of a cylindrical nuclear fuel rod, and FIG. 1B is a perspective view of a cylindrical sintered body 2 used for a cylindrical nuclear fuel rod.

현재 경수로에 사용되고 있는 원통형상의 핵연료봉은 소정의 간극(3)을 사이에 두고 지르코늄 합금 피복관(1)과 상기 피복관(1)의 내부에 장입되는 소결체(2) 로 구성된다. 보다 구체적으로 설명하면, 핵연료봉은 하나의 피복관 튜브 안에 수백 개의 원통형상의 소결체가 들어있고 상기 피복관(1) 양끝을 원통형 봉단마개로 밀봉한 형태를 갖는다. 그리고 일측 봉단마개와 소결체(2) 사이에는 스프링이 설치되어 상기 소결체와 봉단마개를 격리시킨다. 일반적으로, 소결체(2)의 직경은 약 9mm, 길이는 약 10 mm이고, 핵연료봉의 직경은 약 10mm, 연료봉 길이는 약 4 m이다.A cylindrical nuclear fuel rod currently used in a light water reactor is composed of a zirconium alloy cladding tube 1 and a sintered body 2 inserted into the cladding tube 1 with a predetermined gap 3 therebetween. More specifically, the nuclear fuel rod has a form in which hundreds of cylindrical sintered bodies are contained in one cladding tube, and both ends of the cladding tube 1 are sealed with a cylindrical end cap. And a spring is installed between one end cap and the sintered body (2) to isolate the sintered body and the end cap. Generally, the diameter of the sintered compact 2 is about 9 mm, the length is about 10 mm, the diameter of the nuclear fuel rod is about 10 mm, and the fuel rod length is about 4 m.

소결체(2)는 통상 우라늄, 플루토늄 등의 핵분열성 물질을 함유하고 있는 재료로 구성되며, 상기 재료의 분말을 압축성형하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조된다.The sintered body 2 is usually composed of a material containing fissile materials such as uranium and plutonium, and is produced by a method of compression molding the powder of the material and sintering at high temperature.

이러한 구성을 갖는 원통형상의 핵연료봉은 온도와 열유속(heat flux) 관점에서 성능 및 안전성에 제한을 받는다. 구체적으로, 소결체(2)는 산화물 재료로서 열전도도가 낮기 때문에 핵분열에 의해서 생산된 열이 냉각수까지 빨리 전달되지 못하게 되고, 결국, 소결체(2)가 냉각수보다 매우 높은 온도를 갖게 된다. 소결체(2)가 높은 온도 상태에 있으면 여러 가상 원자로사고에서 안전성에 대한 여유도(margin)를 잠식하는 나쁜 결과를 낳는다. 또한 핵연료봉의 표면에서 열유속이 커지면 열적 여유도가 감소하여 핵연료봉 성능 및 안전성을 제한하게 된다. 따라서 핵연료봉의 온도를 낮추고 열유속을 낮춤으로써 핵연료봉의 안전성을 크게 향상할 수 있다. Cylindrical fuel rods having this configuration are limited in performance and safety in terms of temperature and heat flux. Specifically, since the sintered compact 2 has a low thermal conductivity as an oxide material, heat produced by nuclear fission cannot be quickly transferred to the coolant, so that the sintered compact 2 has a much higher temperature than the coolant. If the sintered body 2 is in a high temperature state, it has a bad result of eroding margins for safety in various virtual reactor accidents. In addition, as the heat flux increases on the surface of the fuel rods, the thermal margin decreases, limiting the fuel rod performance and safety. Therefore, the safety of the nuclear fuel rod can be greatly improved by lowering the temperature of the nuclear fuel rod and lowering the heat flux.

이러한 원통형상의 핵연료봉이 갖는 온도 및 열유속 한계를 극복하기 위해서 미국특허 3928132호(Roko Bujas, Annular fuel element for high temperature reactor, 1975)에는 핵연료봉의 구조를 환형(annular type)으로 하여 냉각수를 연료봉 외부와 연료봉 내부로 동시에 흐르게 하는 환형 핵연료봉이 개시되어 있다.In order to overcome the temperature and heat flux limitations of cylindrical fuel rods, U.S. Patent No. 3928132 (Roko Bujas, Annular fuel element for high temperature reactor, 1975) has a structure of nuclear rods in an annular (cooling water) and fuel rods outside the rods. An annular fuel rod is disclosed which flows simultaneously inside.

또한 상기 환형 핵연료봉을 경수로에 사용할 목적으로 종래 원통형 핵연료봉의 소결체 및 피복관 재료를 그대로 적용하면서 설계를 환형 핵연료봉 구조로 변경한 연구결과가 알려져 있다. [M.S. Kazimi et al. High performance fuel design for next generation PWRs: final report, MIT-NFC-PR-002, January 2006]      In addition, a research result of changing the design to the annular fuel rod structure while applying the sintered body and the cladding material of the cylindrical cylindrical fuel rod as it is for the purpose of using the annular fuel rod in a light water reactor is known. M.S. Kazimi et al. High performance fuel design for next generation PWRs: final report, MIT-NFC-PR-002, January 2006]

도 2a는 상기 종래의 환형 핵연료봉의 단면도이고, 도 2b는 종래의 환형 핵연료봉에 사용되는 환형 소결체의 사시도를 나타낸다. 종래의 환형 소결체는 내부의 일정부분이 빈 공간으로 되어있어 원통형 소결체와는 구별된다. 2A is a cross-sectional view of the conventional annular fuel rod, and FIG. 2B shows a perspective view of the annular sintered body used in the conventional annular fuel rod. In the conventional annular sintered compact, a certain portion of the annular sintered compact is different from the cylindrical sintered compact.

이러한 종래의 환형 핵연료봉은 2개의 피복관(내부 및 외부)(11, 12)과, 2개의 피복관(11, 12) 사이의 공간에 장입되는 환형 소결체(20)로 구성되어 있다. 즉, 환형 소결체(20)를 내부 피복관(11)과 외부 피복관(12)이 둘러싸고 있는 구조로서, 양 피복관의 양단을 환형 봉단마개로 환형 소결체(20)를 밀봉한 형태이다. 환형 소결체(20)의 한쪽 끝에는 스프링을 구비하여 환형 소결체(20)와 한쪽의 봉단마개를 서로 격리한다. This conventional annular nuclear fuel rod is composed of two cladding tubes (inner and outer) 11, 12 and an annular sintered body 20 which is charged in the space between the two cladding tubes 11, 12. That is, the inner covering pipe 11 and the outer covering pipe 12 surround the annular sintered body 20, and both ends of both the covering pipes are sealed with the annular end caps. One end of the annular sintered body 20 is provided with a spring to isolate the annular sintered body 20 and one end cap.

종래의 환형 소결체(20)는 내부의 일정부분이 빈 공간으로 되어 있고 원주방향으로 연속체를 이루고 있다.In the conventional annular sintered body 20, a predetermined portion of the inside is an empty space and forms a continuous body in the circumferential direction.

상기 환형 소결체(20)와 피복관(11, 12) 사이의 간극은 제조 후에는 50~200㎛ 범위에 있고, 일반적으로 상기 간극(31, 33)은 제조 가능한 범위 안에서 작게 설정된다.The gap between the annular sintered body 20 and the cover pipes 11 and 12 is in the range of 50 to 200 µm after manufacture, and the gaps 31 and 33 are generally set within a range in which they can be manufactured.

도 2a에 나타나듯이, 상기 종래의 환형 핵연료봉은 중심으로부터 내부 피복관(11), 내부간극(gap)(31), 환형 소결체(20), 외부 간극(33), 외부 피복관(12)순으로 구성되어, 냉각수는 상기 내부 피복관(11)의 안쪽 공간과 외부 피복관(12)의 바깥 주위로 흐르게 된다.As shown in FIG. 2A, the conventional annular fuel rod is composed of an inner cladding tube 11, an inner gap 31, an annular sintered body 20, an outer gap 33, and an outer cladding tube 12. The coolant flows into the inner space of the inner sheath 11 and the outer periphery of the outer sheath 12.

따라서 상기 종래의 환형 핵연료봉은 원통형상의 핵연료봉에서 가장 온도가 높은 중심을 따라서 냉각수를 추가로 흘려주기 때문에 핵연료봉 온도는 크게 감소하고, 또한 핵연료봉 당 열전달 면적이 크게 증가하여 열유속(heat flux)이 감소하게 되므로 열적 여유도의 향상을 기대할 수 있을 것이다.Therefore, since the conventional annular fuel rod further flows cooling water along the center of the highest temperature in the cylindrical nuclear fuel rod, the nuclear fuel rod temperature is greatly reduced, and the heat transfer area per nuclear fuel rod is increased so that the heat flux is increased. As it decreases, an improvement in thermal margin can be expected.

종래의 환형 핵연료봉이 원자로에서 연소하는 동안, 핵분열이 일어나는 상기 환형 소결체(20)는 부피가 증가하게 된다. 이때 상기 환형 소결체의 부피가 증가하는 현상을 스웰링(swelling)이라 하는데. 이것은 핵분열이 존재하면 발생하는 것으로서 핵연료 소결체에서는 피할 수 없는 현상이다. 연소가 진행되면서 상기 환형 소결체(20)는 연소도 10GWD/MTU당 약 1% 정도의 부피팽창이 일어나게 되며, 이에 따라 상기한 스웰링에 의해서 상기 환형 소결체의 내경과 외경이 모두 점진적으로 증가하게 된다. While the conventional annular fuel rod is combusted in a reactor, the annular sintered body 20 in which nuclear fission occurs increases in volume. In this case, the phenomenon in which the volume of the annular sintered body is increased is called swelling. This occurs when fission is present and is inevitable in the fuel sintered body. As the combustion progresses, the annular sintered body 20 has a volume expansion of about 1% per 10 GWD / MTU of combustion degree, thereby gradually increasing both the inner and outer diameters of the annular sintered body by the swelling. .

상기 환형 핵연료봉의 압력은 냉각수 압력보다 매우 작고 피복관의 온도가 350-400℃ 범위에 있기 때문에 금속으로 구성된 내부 피복관 및 외부 피복관은 환형 소결체 쪽으로 크리프 변형하게 된다. 즉 외부 피복관은 안쪽으로 내부 피복관 은 밖으로 변형하게 된다. Since the pressure of the annular fuel rod is much smaller than the pressure of the cooling water and the temperature of the cladding tube is in the range of 350-400 ° C., the inner cladding tube and the outer cladding tube made of metal creep deformation toward the annular sintered body. That is, the outer cladding tube is deformed inward and the inner cladding tube is deformed outward.

따라서 상기 종래의 환형 핵연료봉이 원자로에서 연소하는 동안, 환형 소결체(20)는 스웰링에 의해서 외경이 증가하고 또한 외부 피복관이 외부간극(33) 쪽으로 변형하기 때문에 외부 간극(33)은 빠르게 감소하게 된다. 최종적으로 환형 소결체 외경과 외부 피복관이 접촉하게 됨으로써 외부간극(33)은 소멸하게 된다. 접촉 후에는 소결체 스웰링에 의한 외경의 증가에 따라서 외부 피복관이 변형하게 된다. 이 경우 소결체의 스웰링이 커지면 외부 피복관에 가하는 응력이 과도하게 높아지기 때문에 외부 피복관이 파손되는 문제점이 있다. Therefore, while the conventional annular fuel rod is combusted in the reactor, the outer gap 33 is rapidly reduced because the annular sintered body 20 increases in outer diameter by swelling and the outer sheath deforms toward the outer gap 33. . Finally, the outer gap 33 is extinguished by contact between the annular sintered body outer diameter and the outer cladding tube. After contact, the outer cladding tube deforms as the outer diameter increases due to the sintered body swelling. In this case, when the swelling of the sintered body increases, the stress applied to the outer cladding tube becomes excessively high, which causes a problem that the outer cladding tube is broken.

한편 환형 소결체(20)의 내경이 스웰링에 의해서 증가하기 때문에 내부 피복관이 내부간극(31) 쪽으로 변형하더라도 스웰링이 커서 내부 간극(31)은 여전히 남아있게 된다. 따라서 내부 피복관은 소결체 쪽으로 크리프 변형을 계속한다. 이 경우 내부 피복관의 크리프 변형량이 과도하게 커지기 때문에 내부 피복관이 파손되는 문제점이 있다.On the other hand, since the inner diameter of the annular sintered body 20 increases due to swelling, even if the inner cladding tube deforms toward the inner gap 31, the swelling is large and the inner gap 31 remains. The inner cladding thus continues to creep into the sintered body. In this case, since the creep deformation amount of the inner cladding tube is excessively large, there is a problem that the inner cladding tube is broken.

본 발명의 목적은 종래의 환형 핵연료봉이 연소 중에 외부 피복관에 가해지는 응력이 과도하게 커지고 내부 피복관이 과도하게 크리프 변형하는 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 외부 피복관이 환형 소결체와 접촉한 후에는 환형 소결체의 스웰링을 원주방향의 빈 공간으로 수용함으로써 외부 피복관의 응력을 낮추고 또한 내부 피복관의 과도한 크리프 변형을 방지할 수 있는 환형 핵 연료봉을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problem that the conventional annular fuel rod is excessively stressed on the outer cladding during combustion and the inner cladding is excessively creep-deformed, and after the outer cladding is in contact with the annular sintered body, the annular sintered body It is to provide an annular nuclear fuel rod that can reduce the stress of the outer sheath and prevent excessive creep deformation of the inner sheath by accommodating the swelling of the inner circumferential void.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 환형 핵연료봉은 상기 핵연료봉의 외측에 흐르는 냉각수와 접하고 금속으로 구성된 외부 피복관; 상기 외부 피복관과 동축으로 배치되고 상기 외부 피복관 보다 작은 직경을 가지며 내측에 흐르는 냉각수와 접하고 금속으로 구성된 내부 피복관; 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이의 공간에 장입되도록 소정의 높이를 갖으며 환형이면서 동시에 원주방향으로 연속체를 형성하지 않도록 축방향으로 빈 공간의 절개부가 형성된 열린 환형구조 소결체; 상기 외부 피복관과 내부 피복관의 양단에서 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이의 공간을 밀봉하는 봉단마개; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the annular fuel rod according to the present invention includes an outer cladding tube made of a metal in contact with the cooling water flowing outside the nuclear fuel rod; An inner cladding tube disposed coaxially with the outer cladding tube, the inner cladding tube having a smaller diameter than the outer cladding tube, and in contact with a cooling water flowing therein; An open annular structure sintered body having a predetermined height so as to be charged into a space between the outer cladding tube and the inner cladding tube and having an incision in an empty space in an axial direction so as not to form a continuum in the circumferential direction; A sealing end cap sealing a space between the outer sheath and the inner sheath at both ends of the outer sheath and the inner sheath; Characterized in that it comprises a.

여기서, 상기 절개부는 상기 열린 환형구조 소결체의 높이 전체에 걸쳐 단일개 또는 복수개가 형성된 것을 특징으로 한다. Here, the cutout is characterized in that a single or a plurality is formed over the entire height of the open annular structure sintered body.

또한 상기 절개부는 상기 열린 환형구조 소결체의 높이 보다 작은 높이를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, the cutout is characterized in that it has a height smaller than the height of the open annular structure sintered body.

이때, 상기 절개부는 상기 열린 환형구조 소결체의 상측 일부에 형성된 제 1절개부와 상기 열린 환형구조 소결체의 하측 일부에 형성된 제 2절개부로 이루진 것을 특징으로 한다.At this time, the cutout is characterized by consisting of a first cutout formed in the upper portion of the open annular structure sintered body and a second cutout formed in the lower portion of the open annular structure sintered body.

여기서, 상기 제 1절개부와 제 2절개부는 서로 다른 위치에 형성된 것을 특징으로 한다.Here, the first incision and the second incision is characterized in that formed in different positions.

또한, 상기 절개부의 너비(l)는 상기 열린 환형구조 소결체 원주 길이의 5% 이내 인 것을 특징으로 한다.In addition, the width l of the cutout is characterized in that within 5% of the circumferential length of the open annular structure sintered body.

한편, 상기 열린 환형구조 소결체의 중심점과 상기 열린 환형구조 소결체의 내주연까지의 거리(d1)와 상기 열린 환형구조 소결체의 중심점과 상기 열린 환형구조 소결체의 외주연까지의 거리(d2)는 의 비 (d2/d1)는 1.1~3 범위 안에 있는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the distance d 1 between the center point of the open annular sintered body and the inner circumferential edge of the open annular structure sintered body and the distance d 2 between the center point of the open annular structure sintered body and the outer peripheral edge of the open annular structure sintered body are The ratio (d 2 / d 1 ) is characterized by being in the range of 1.1 to 3.

또한, 상기 핵분열성 물질은 우라늄(U) 또는 플루토늄(Pu) 중에서 적어도 어느 하나를 포함한 것을 특징으로 한다.In addition, the fissile material is characterized in that it comprises at least one of uranium (U) or plutonium (Pu).

이에 덧붙여, 상기 환형 핵연료봉은 상기 열린 환형구조 소결체가 들어있는 공간의 일측단에 스프링을 구비하여 상기 열린 환형구조 소결체와 봉단마개가 격리되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the annular fuel rod is characterized in that the open annular structure sintered body and the end cap is isolated by having a spring at one end of the space containing the open annular structure sintered body.

본 발명의 환형 핵연료봉은 그 안에 장입된 열린 환형구조 소결체가 원주방향으로 연속체를 형성하지 않기 때문에, 상기 열린 환형 소결체는 원자로 연소 중에 소결체 연주방향의 스웰링을 원주의 공간으로 수용할 수 있기 때문에 피복관에 가해지는 응력을 완화할 수 있다. 따라서 환형 핵연료봉의 안전성이 증진되는 작용효과가 있다.In the annular fuel rod of the present invention, since the open annular sintered body loaded therein does not form a continuum in the circumferential direction, the open annular sintered body can accommodate the swelling of the sintered body in the circumferential direction during combustion in the circumferential space. The stress applied to can be alleviated. Therefore, there is an effect of improving the safety of the annular fuel rods.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부 도면을 참조하여 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.DETAILED DESCRIPTION Details of the object and the technical constitution according to the present invention will be clearly understood by the following description with reference to the accompanying drawings showing preferred embodiments of the present invention.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3a본 발명의 환형 핵연료봉의 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 환형 핵연료봉의 단면도이며, 도 4a는 본 발명에 따른 열린 환형구조 소결체의 사시도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 다른 실시예의 열린 환형구조 소결체의 사시도이다.Figure 3a is a perspective view of the annular fuel rod of the present invention, Figure 3b is a cross-sectional view of the annular fuel rod of the present invention, Figure 4a is a perspective view of an open annular structure sintered body according to the present invention, Figure 4b is an open annular of another embodiment according to the present invention It is a perspective view of a structural sintered compact.

본 발명에 따른 환형 핵연료봉(100)은 외부 피복관(112)과 내부 피복관(111)을 포함하고, 상기 두 피복관(111, 112) 사이의 공간에는 핵분열물질을 포함하고 있는 열린 환형구조 소결체(120)가 다수 장입되어 있다. 더욱 상세하게는, 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 원주방향으로 연속체를 형성하지 않도록 축방향으로 빈 공간의 절개부(121)가 형성되며, 상기 절개부(121)는 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 높이 전체에 걸쳐 단일개 또는 복수개가 형성된다.The annular nuclear fuel rod 100 according to the present invention includes an outer cladding tube 112 and an inner cladding tube 111, and an open annular structure sintered body 120 including a nuclear fission material in a space between the two cladding tubes 111 and 112. ) Is charged a lot. In more detail, the open annular structure sintered body 120 is formed with a cutout portion 121 of an empty space in the axial direction so as not to form a continuum in the circumferential direction, and the cutout portion 121 is the open annular structure sintered body ( A single or plural number is formed throughout the height of 120).

상기 열린 환형구조 소결체(120)가 채용된 본 발명의 환형 핵연료봉(100)은 이것이 사용되는 원자로의 특성에 따라 다르나, 통상 수십 cm부터 4m 범위안에 있다.The annular fuel rod 100 of the present invention in which the open annular structure sintered body 120 is employed depends on the characteristics of the reactor in which it is used, but is usually in the range of several tens of cm to 4 m.

또한, 상기 내/외부 피복관(111, 112)의 양단은 봉단마개(160)를 이용하여 용접으로 밀봉한 구조를 가지며, 한쪽 봉단마개(160)와 열린 환형구조 소결체(120) 사이에는 통상적으로 스프링(150)이 구비되어 상기 스프링으로 인하여 열린 환형구조 소결체(120)와 봉단마개가 격리되고, 냉각수는 내부 피복관(111)의 안쪽과 외부 피복관(112)의 바깥쪽으로 흐르면서 핵연료봉(100)을 냉각하게 된다. In addition, both ends of the inner / outer cladding tube (111, 112) has a structure sealed by welding using the end cap 160, a spring between one end cap 160 and the open annular structure sintered body (120) 150 is provided with the annular structure sintered body 120 and the end cap is isolated by the spring, the coolant flows to the inner side of the inner tube 111 and the outer side of the outer tube 112 to cool the nuclear fuel rod 100 Done.

상기 내/외부 피복관(111, 112)은 종래의 환형 핵연료봉과 실질적으로 동일한 구조이며, 일반적으로 금속 피복관이 사용된다.The inner and outer cladding pipes 111 and 112 have a structure substantially the same as a conventional annular fuel rod, and a metal cladding pipe is generally used.

상기 열린 환형구조 소결체(120)는 핵분열성 물질을 함유한 재료로 구성되고, 상기 핵분열성 물질은 우라늄, 플루토늄, 토륨과 같은 물질이 가능하다. 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 핵분열성 물질의 분말을 압축성형하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조된다. The open annular structure sintered body 120 is made of a material containing a fissile material, the fissile material may be a material such as uranium, plutonium, thorium. The open annular structure sintered body 120 is manufactured by compression molding a powder of fissile material and sintering at a high temperature.

본 발명에서 제공하는 열린 환형구조 소결체(120)는 원자로에서 연소하는 동안 열팽창 또는 스웰링에 의한 내경 및 외경의 변화가 종래의 환형 소결체(20)와 달라진다. In the open annular structure sintered body 120 provided in the present invention, the change in the inner and outer diameters due to thermal expansion or swelling during combustion in a reactor is different from the conventional annular sintered body 20.

종래의 환형 소결체(20)에서는 스웰링에 의해서 부피가 팽창하면 원주길이는 부피팽창률의 1/3만큼 팽창하게 되고, 이러한 원주길이의 팽창분을 연주방향의 연속체를 유지하면서 수용하기 위해서는 외경 및 내경이 공히 부피팽창률의 1/3만큼 늘어나야만 한다. 이러한 스웰링 거동은 외부 피복관과 환형 소결체의 외경이 접촉한 후에도 동일하다. 따라서 환형 소결체의 스웰링은 외부 피복관에 큰 응력을 가하게 된다.In the conventional annular sintered body 20, when the volume expands by swelling, the circumferential length expands by 1/3 of the volume expansion rate, and the outer diameter and the inner diameter are used to accommodate the expanded portion of the circumferential length while maintaining the continuum in the playing direction. This must also increase by one third of the volume expansion rate. This swelling behavior is the same even after the outer sheath of the outer sheath and the outer diameter of the annular sintered body come into contact with each other. Therefore, the swelling of the annular sintered body exerts a large stress on the outer cladding.

본 발명에 따른 열린 환경구조 소결체(120)에서는 외부 피복관(112)과 소결체의 외경이 접촉하기 전까지는 종래의 환형 소결체와 마찬가지로 스웰링에 의해서 외경과 내경이 증가하게 된다. 그러나 상기 외부 피복관(113)과 열린 환형구조 소결체(120) 외경이 접촉한 후에는 스웰링 거동이 달라진다. 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 원주의 일부분이 절개부(121)로 구성되어 있기 때문에 원주방향의 스웰링을 상기 절개부(121)로 수용하는 것이 가능하다. 따라서 상기 열린 환형 소결체(120)에서는 원주방향의 팽창에 의한 내경 및 외경의 증가는 없다. 다만, 상기 열린 환형 소결체(120)에서는 두께[(외경-내경)/2]가 스웰링에 의해서 부피팽창율의 1/3 만큼 팽창하기 때문에 그 만큼 외경은 증가하게 된다. 그렇지만 상기 열린 환형 소결체(120)의 두께는 원주길이에 비하여 매우 작기 때문에 두께의 팽창에 의한 외경의 증가는 그 양이 매우 작다.In the open environmental structure sintered body 120 according to the present invention, the outer diameter and the inner diameter are increased by swelling as in the conventional annular sintered body until the outer diameter of the outer cladding tube 112 and the sintered body contacts. However, after the outer cladding tube 113 and the outer diameter of the open annular structure sintered body 120 contact each other, the swelling behavior is changed. Since the open annular structure sintered body 120 includes a portion of the circumference formed by the cutout 121, it is possible to receive swelling in the circumferential direction as the cutout 121. Therefore, in the open annular sintered body 120, there is no increase in inner and outer diameters due to expansion in the circumferential direction. However, in the open annular sintered body 120, since the thickness [(outer diameter-inner diameter) / 2] expands by 1/3 of the volume expansion rate by swelling, the outer diameter increases by that much. However, since the thickness of the open annular sintered body 120 is very small compared to the circumferential length, the increase in the outer diameter due to the expansion of the thickness is very small.

여기서 상기 열린 환형 구조 소결체(120)의 중심점으로부터 상기 열린 환형 구조 소결체(120)의 내주연까지의 거리(d1)과 상기 열린 환형 구조 소결체(120)의 중심점으로부터 상기 열린 환형 구조 소결체(120)의 외주연까지의 거리(d2)의 비(d2 /d1)는 1:1.1~3 범위를 갖는 것이 바람직하다.Here, the distance d 1 from the center point of the open annular structure sintered body 120 to the inner circumference of the open annular structure sintered body 120 and the open annular structure sintered body 120 from the center point of the open annular structure sintered body 120. The ratio (d 2 / d 1 ) of the distance (d 2 ) to the outer periphery of preferably has a range of 1: 1.1 to 3.

본 발명의 환형 핵연료봉(100)에서는 상기 외부 피복관(112)과 열린 환형구조 소결체(120) 외경이 접촉한 후에는 상기 환형구조 소결체(120)의 원주방향의 스웰링을 원주의 일부분에 있는 절개부(121)에서 수용함으로써 열린 환형구조 소결체(120)의 외경 증가를 크게 감소시키고 또한 내경이 더 이상 증가하지 않게 하는 것이 가능하다. 이에 따라서 상기 외부 피복관(112)의 과도한 응력을 가해지는 문제점 및 상기 내부 피복관(111)이 과도하게 크리프 변형하는 문제점을 해결할 수 있다. In the annular fuel rod 100 of the present invention, after the outer sheath 112 and the outer annular structure sintered body 120 are in contact with each other, the circumferential swelling of the annular structured sintered body 120 is cut in a portion of the circumference. By receiving in the part 121, it is possible to greatly reduce the outer diameter increase of the open annular structure sintered compact 120, and to prevent the inner diameter from increasing further. Accordingly, the problem of applying excessive stress to the outer sheath 112 and the problem of excessive creep deformation of the inner sheath 111 can be solved.

본 발명에 따른 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 원주방향의 스웰링을 원주 일부분의 공간 즉 상기 절개부(121)로 수용하는 기술적 특징을 갖는다. 원자로 연소 중에 스웰링은 연소도(시간경과)에 따라서 점진적으로 증가한다. 따라서 상기 절개부(121)의 너비(l)는 환형 핵연료봉의 수명동안 환형구조 소결체(120)의 원주방향의 스웰링을 수용할 수 있는 크기를 가져야 한다. 반면에 상기 절개부(121)의 너비(l)가 커지면 환형 핵연료봉에 장입되는 핵물질이 상기 절개부(121) 만큼 감소하게 되므로 경제적으로 손실이 된다. 따라서 상기 절개부(121)의 너비(l)는 상기 두 가지 요인을 고려해서 결정하는 것이 좋다. 따라서 상기 절개부(121)의 너비는 대략 원주 전체길이의 5% 이내가 바람직하다.The open annular structure sintered body 120 according to the present invention has a technical feature of receiving swelling in the circumferential direction as a space of a portion of the circumference, that is, the cutout 121. During reactor combustion, swelling gradually increases with burnup (time). Therefore, the width l of the cutout 121 must have a size that can accommodate the swelling in the circumferential direction of the annular structure sintered body 120 during the life of the annular fuel rod. On the other hand, if the width l of the cutout 121 is increased, the nuclear material charged in the annular nuclear fuel rod is reduced by the cutout 121, resulting in economic loss. Therefore, the width l of the cutout 121 may be determined in consideration of the two factors. Therefore, the width of the cutout 121 is preferably within about 5% of the entire length of the circumference.

본 발명에 따른 상기 열린 환형 소결체(120)는 환형이면서 동시에 원주방향으로 연속체를 형성하지 않도록 축방향으로 빈 공간의 절개부(121) 형성된 것을 특징으로 한다.The open annular sintered body 120 according to the present invention is characterized in that the incision is formed in the hollow space in the axial direction so as not to form a continuous body in the circumferential direction at the same time.

도 4b는 다른 형태의 열린 환형구조 소결체(120)를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 소정의 높이를 갖으며 상기 내외부 피복관 (111, 112) 사이에 장입되도록 환형구조로 이루어져 원주방향으로 연속되지 않도록 축방향으로 빈 공간의 절개부(121)가 형성된다.FIG. 4B illustrates an open annular structure sintered body 120 of another type, and as shown, the open annular structure sintered body 120 has a predetermined height and an annular structure so as to be charged between the inner and outer cladding pipes 111 and 112. It is made of a cutout 121 of the empty space in the axial direction so as not to be continuous in the circumferential direction.

상기 절개부(121)는 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 상측 일부에 형성된 제 1절개부(121a)와, 하측 일부에 형성된 제 2절개부(121b)로 각각 나뉘어 이루어지는데, 여기서 상기 제 1절개부(121a)와 제 2절개부(121b)는 도 4b에 참조되는 바와 같이 서로 다른 직선상에 형성될 수도 있다.The cutout 121 is divided into a first cutout 121a formed at an upper portion of the open annular structure sintered body 120 and a second cutout 121b formed at a lower portion of the open annular structure sintered body 120, wherein the first cutout 121b is formed in the first cutout 121a. The cutout 121a and the second cutout 121b may be formed on different straight lines as shown in FIG. 4B.

도4c는 또 다른 열린 환형구조 소결체(120)를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 소정의 높이를 갖으며 상기 내외부 피복관 (111, 112) 사이에 장입되도록 환형구조로 이루어져 원주방향으로 연속되지 않도록 축방향으로 빈 공간의 절개부(121)가 소결체 높이 전체에 걸쳐서 서로 다른 위치에서 2개가 형성된다.Figure 4c shows another open annular structure sintered body 120, as shown, the open annular structure sintered body 120 has a predetermined height and has an annular structure to be charged between the inner and outer covering pipes (111, 112) In order not to continue in the circumferential direction, two incisions 121 of the empty space in the axial direction are formed at different positions over the entire height of the sintered body.

이처럼 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 원주가 단절되어 원주의 일부분이 빈 공간으로 남아있는 형상으로서 상기 열린 환형구조 소결체(120)는 높이의 어느 지점에서도 원주가 연속체를 형성하지 않는 기술적 특징이 있다.As such, the open annular structure sintered body 120 has a technical feature that the circumference of the open annular structure sintered body 120 does not form a continuum at any point in height. .

이러한 기술적 특징에 따라 상기 환형구조 소결체(120)의 형상은 상기한 바와 달리 다양하게 변경될 수 있다.According to this technical feature, the shape of the annular structure sintered body 120 may be changed in various ways as described above.

도 1a는 원통형상의 핵연료봉의 단면도이고, 도 1b는 원통형상의 핵연료봉에 사용되는 소결체의 사시도를 나타낸다.1A is a cross-sectional view of a cylindrical nuclear fuel rod, and FIG. 1B is a perspective view of a sintered body used for the cylindrical nuclear fuel rod.

도 2a는 종래의 환형 핵연료봉의 단면도이고, 도 2b는 종래의 환형 핵연료봉에 사용되는 환형 소결체의 사시도를 나타낸다.2A is a cross-sectional view of a conventional annular fuel rod, and FIG. 2B shows a perspective view of an annular sintered body used in a conventional annular fuel rod.

도 3a본 발명의 환형 핵연료봉의 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 환형 핵연료봉의 단면도를 나타낸다.Figure 3a is a perspective view of the annular fuel rod of the present invention, Figure 3b shows a cross-sectional view of the annular fuel rod of the present invention.

도 4a는 본 발명에 따른 열린 환형구조 소결체의 사시도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 다른 실시예의 열린 환형구조 소결체의 사시도를 나타내고, 도4c는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 열린 환형구조 소결체의 사시도를 나타낸다.Figure 4a is a perspective view of an open annular structure sintered body according to the present invention, Figure 4b shows a perspective view of an open annular structure sintered body according to another embodiment of the present invention, Figure 4c is an open annular structure sintered body of another embodiment according to the present invention A perspective view is shown.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 환형 핵연료봉 100: annular nuclear fuel rod

111 : 내부 피복관 112 : 외부 피복관111: inner cladding tube 112: outer cladding tube

120 : 열린 환형구조 소결체 121 : 절개부120: open annular structure sintered body 121: incision

131 : 내부 간극 132 : 외부 간극131: internal gap 132: external gap

150 : 스프링 160 : 봉단마개150: spring 160: end cap

Claims (9)

원자로 안에서 핵분열에 의해서 열을 생산하고 상기 열을 냉각수에 전달하는 기능을 갖는 환형 핵연료봉에 있어서,In a nuclear fuel rod having a function of producing heat by nuclear fission in a nuclear reactor and transferring the heat to the cooling water, 상기 환형 핵연료봉(100)은,The annular fuel rod 100 is, 상기 핵연료봉(100)의 외측에 흐르는 냉각수와 접하고 금속으로 구성된 외부 피복관(112);An outer cladding tube 112 made of metal and in contact with the cooling water flowing outside the nuclear fuel rod 100; 상기 외부 피복관(112)과 동축으로 배치되고 상기 외부 피복관(112) 보다 작은 직경을 가지며 내측에 흐르는 냉각수와 접하고 금속으로 구성된 내부 피복관(111);An inner cladding tube (111) disposed coaxially with the outer cladding tube (112) and having a diameter smaller than that of the outer cladding tube (112) and in contact with a cooling water flowing therein; 상기 외부 피복관(112)과 내부 피복관(111) 사이의 공간에 장입되도록 소정의 높이를 갖으며 환형이면서 동시에 원주방향으로 연속체를 형성하지 않도록 축방향으로 빈 공간의 절개부(121)가 형성된 열린 환형구조 소결체(120);An open annulus having a predetermined height so as to be charged into the space between the outer sheath 112 and the inner sheath 111 and having an incision 121 of an empty space in the axial direction so as not to form a continuum in the circumferential direction. Structural sintered body 120; 상기 외부 피복관(112)과 내부 피복관(111)의 양단에서 상기 외부 피복관(112)과 상기 내부 피복관(111) 사이의 공간을 밀봉하는 봉단마개(160); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.End caps 160 for sealing a space between the outer sheath 112 and the inner sheath 111 at both ends of the outer sheath 112 and the inner sheath 111; Annular nuclear fuel rods comprising a. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절개부(121)는 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 높이 전체에 걸쳐 단 일개 또는 서로 다른 위치에서 복수개가 형성된 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The cut portion 121 is an annular nuclear fuel rod, characterized in that a plurality is formed in a single or different positions throughout the height of the open annular structure sintered body (120). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절개부(121)는 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 높이 보다 작은 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The cutout 121 is an annular nuclear fuel rod, characterized in that having a height smaller than the height of the open annular structure sintered body (120). 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 절개부(121)는 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 상측 일부에 형성된 제 1절개부(121a)와 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 하측 일부에 형성된 제 2절개부(121b)로 이루어진 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The cutout 121 is formed of a first cutout 121a formed at an upper portion of the open annular structure sintered body 120 and a second cutout 121b formed at a lower part of the open annular structure sintered body 120. Annular nuclear fuel rods, characterized in that. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제 1절개부(121a)와 제 2절개부(121b)는 서로 다른 직선상에 형성된 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The first cutout (121a) and the second cutout (121b) is an annular nuclear fuel rod, characterized in that formed on a different straight line. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절개부(121)의 너비(l)는 상기 열린 환형구조 소결체(120) 원주 길이의 5% 이내 인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The width l of the cutout 121 is an annular nuclear fuel rod, characterized in that less than 5% of the circumferential length of the open annular structure sintered body (120). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 중심점과 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 내주연까지의 거리(d1)와 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 중심점과 상기 열린 환형구조 소결체(120)의 외주연까지의 거리(d2)의 비(d2/d1)는 1.1~3.0 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The distance d 1 between the center point of the open annular structure sintered body 120 and the inner circumference of the open annular structure sintered body 120 and the center point of the open annular structure sintered body 120 and the open annular structure sintered body 120 An annular fuel rod, characterized in that the ratio (d 2 / d 1 ) of the distance to the outer periphery (d 2 ) is in the range of 1.1 to 3.0. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 핵분열성 물질은 우라늄(U) 또는 플루토늄(Pu) 중에서 적어도 어느 하나를 포함한 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The fissile material is a cyclic nuclear fuel rod, characterized in that it comprises at least one of uranium (U) or plutonium (Pu). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 환형 핵연료봉(100)은 상기 열린 환형구조 소결체(120)가 들어있는 공 간의 일측단에 스프링(150)을 구비하여 상기 열린 환형구조 소결체(120)와 봉단마개(160)가 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.The annular fuel rod 100 is provided with a spring 150 at one end of the space in which the open annular sintered body 120 is contained so that the open annular sintered body 120 and the end cap 160 are isolated. An annular nuclear fuel rod.
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